Effect of element Nb on microstructures and impact toughness of CGHAZ in TiNbV micro-alloyed steels
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摘要: 利用焊接热模拟研究Nb元素含量对TiNbV微合金钢焊接热影响粗晶区(CGHAZ)组织和性能的影响. 低铌钢和高铌钢在经历焊接热循环后微观组织构成及晶粒尺寸有显著差异. Nb元素含量为0.005%时焊接CGHAZ组织为铁素体和针状铁素体以及珠光体，大角度晶界和小角度晶界的晶粒比例相当，焊接CGHAZ晶粒尺寸粗大不均匀. 随着Nb元素含量的增加，大角度晶界的晶粒数量有所增加，晶粒得到细化. 但是，针状铁素体形成受到抑制，CGHAZ中贝氏体含量增加. 微合金钢中贝氏体的形成对焊接CGHAZ冲击韧性的下降起主导作用，Nb元素的含量控制在合适范围内(~ 0.02%)，才可以保证CGHAZ具有良好的冲击韧性.Abstract: The microstructure evolution and impact toughness of the coarse grain heat-affected-zone (CGHAZ) of TiNbV micro-alloyed steel were investigated by the simulated welding thermal cycle. The microstructure and grain size of the simulated CGHAZ between low-niobium steel and high-niobium steel is significantly different. When the Nb content is low (0.005%), the CGHAZ consists of ferrite, acicular ferrite, and pearlite. The ratio of the large-angle grain boundary and the small-angle grain boundary is equal, and the grain size of the CGHAZ is coarse and uneven. With the increase of Nb content, the number of grains in the high-angle grain boundary increases, and the grains are refined. However, the formation of acicular ferrite is suppressed, and the bainite content of CGHAZ increases. The formation of bainite in the micro-alloyed steel plays a leading role in the decrease of the impact toughness of CGHAZ. The content of element Nb should be controlled within an appropriate range (~ 0.02%) to obtain good impact toughness.
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0. 序言
TiNbV微合金钢具有较高强度和冲击韧性，广泛应用于海洋工程、船舶、高层建筑等工程领域. 随着国内海洋工程装备的快速发展，海洋平台的建设也逐渐向大型化的方向发展，焊接结构尺寸也随之增大，为了提高生产效率，大线能量焊接技术应运而生[1-2]. 在大线能量焊接条件下，焊接热影响区粗晶区(coarse grain heat-affected-zone，CGHAZ)奥氏体晶粒粗大，组织会急剧粗化，对焊接接头的韧性有不利影响[3-5]. 通过微合金化向钢中添加Ti，Nb，V等合金元素是改善大线能量焊接性能的有效手段.
钛与氮、碳都有极强的亲和力，是一种良好的固定氮和碳的有效元素. Ti (C,N)化物与针状铁素体具有良好的晶格匹配，能有效促进针状铁素体形核[6]. 钒与碳、氮等元素也有极强的亲和力，与Ti (C, N)化合物相比，VN化合物与针状铁素体晶格失配要低得多，因此VN作为针状铁素体的形核质点比TiN化合物更有潜力[7]. 在实际生产中，钢中经常同时添加Ti元素和V元素，由于富钛颗粒的钉扎效应及细小分散的富V元素颗粒产生的沉淀强化作用，二者相互作用可实现晶粒尺寸的有效控制[8-9].
Nb元素是微合金钢冶金成份中的重要组成部分，其主要作用是形成碳氮化物，促进沉淀强化. Nb元素的沉淀强化作用是V元素的2倍，是Ti元素的10倍. 同时Nb元素也可以在一定程度上抑制奥氏体晶粒粗化，阻止奥氏体再结晶[10-13].
在低合金高强钢中，Nb的添加量一直是同行学者关注的核心问题，并在Nb的添加量对低合金高强钢组织和性能的影响方面，获得了一些有益结果. 有人研究了在模拟焊接热循环过程中微合金钢CGHAZ中奥氏体晶粒尺寸变化，发现含Nb元素(0.015%)微合金钢中奥氏体晶粒会突然长大，而不含Nb元素钢却没有这个现象[14]. 在微合金钢中，当Nb元素含量增至0.026%时，会降低贝氏体转变的温度，促进贝氏体形成，导致CGHAZ冲击韧性降低[15-17]. 同时还发现Nb元素的添加将会影响微合金钢中第二相粒子析出行为，在0.02%Nb元素含量的微合金钢中会形成(Ti, Nb)(N, C)复合粒子，其稳定性弱于TiN粒子，在高温下更易粗化，这会削弱钉扎奥氏体晶界的作用[18]. 当Nb含量增至0.06%时，体系中存在的细小弥散分布的Nb (C, N)颗粒，能有效细化奥氏体晶粒[19]. 通过进一步与低Nb钢(0.05%)对比分析，发现含Nb钢(0.1%)的粗晶区范围更窄，且粗晶区内的晶粒尺寸和Nb (C, N)析出尺寸都比较小[20].
目前在含Nb微合金钢的大线能量焊接CGHAZ的组织和性能研究方面，已经取得了一些成果. 但是对于高Nb钢的CGHAZ性能尚存争议，这主要是因为关于Nb元素含量与微合金钢焊接CGHAZ晶粒尺寸、物相组成和冲击韧性之间的关系尚不清楚，导致微合金钢冶炼成分设计缺乏依据. 为此文中采用电子背散射衍射(EBSD)，分析了不同Nb含量微合金钢模拟焊接热循环后CGHAZ的相组成和晶粒尺寸变化规律. 在此基础上深入研究了不同Nb含量对模拟焊接热循环后CGHAZ冲击性能的影响.
1. 试验材料与方法
文中研究所用的微合金钢是鞍钢集团提供的，其化学成分如表1所示. 试样加工成尺寸为105 mm × 10 mm × 10 mm，在Gleeble-1500热模拟试验机上进行模拟焊接热影响区试验，所选取的大线能量焊接热输入约为100 kJ/cm，其CGHAZ的热循环参数大致为：加热速度500 ℃/s，峰值温度为1250 ℃，高温停留时间1 s，t8/5为200 s. 采用Quanta 200FEG场发射型扫描电镜对热模拟试验后的试样进行EBSD组织观察及分析. EBSD试验数据采集及结果分析采用美国EDAX公司提供的TSL/OIM V6.0软件包. 利用相图和晶粒图共同判定组织中各物相种类，利用Image pro plus软件统计各物相相对含量. 以相邻晶粒位相差(θ)大于15°定义为大角度晶界，2° < θ < 15°定义为小角度晶界.
表 1 微合金钢的化学成分(质量分数，%)Table 1. Chemical composition of the micro-alloyed steels试样 C Si Mn Nb V Ti Fe A 0.088 0.23 1.52 0.005 0.005 0 0.014 余量 B 0.079 0.20 1.45 0.021 0.005 0 0.014 余量 C 0.093 0.23 1.53 0.036 0.005 0 0.014 余量 热模拟试样加工成尺寸为55 mm × 10 mm × 10 mm标准的V形缺口冲击试样，按GB/T 229—2007标准在型号为JBDW-300D的冲击试验机进行−40 ℃条件下的冲击试验，每组试验重复三次[21].
2. 结果与讨论
2.1 CGHAZ微观组织EBSD表征
图1为不同Nb含量微合金钢CGHAZ的EBSD晶粒图及对应的晶界分布图. 从图1可以看出，在经历焊接热循环后CGHAZ微观组织及晶粒尺寸有显著差异. 当Nb元素含量为0.005%时，CGHAZ的组织为铁素体和针状铁素体及珠光体，晶粒尺寸有较大差异且不均匀(图1a)；当Nb含量为0.021%时，CGHAZ的相组成并没有明显变化(图1c)，晶粒尺寸有减小趋势且差异变小；当Nb含量增加到0.036%时，CGHAZ的组织组成发生显著变化，主要是一定含量贝氏体的出现，且晶粒尺寸明显发生细化(图1e). 从晶界分布图图1b，1d，1f中可以看出随着Nb含量增加，大角度晶界呈现先增加后降低趋势. 当Nb含量为0.021%时，大角度晶界所占比例达到最大80.6% (图2). 大角度晶界对钢低温冲击韧性具有有益作用，当裂纹穿过大角度晶界需要消耗更多能量，阻止裂纹传播[22-23].
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图 1 不同Nb元素含量CGHAZ的EBSD晶粒图及晶界分布图Figure 1. EBSD grain image and grain boundary of CGHAZ with Nb content. (a) grain image of CGHAZ with 0.005% content; (b) grain boundary of CGHAZ with 0.005% content; (c) grain image of CGHAZ with 0.021% content; (d) grain boundary of CGHAZ with 0.021% content; (e) grain image of CGHAZ with 0.036% content; (f) grain boundary of CGHAZ with 0.036% content![]()
图 2 不同Nb含量CGHAZ的晶界分布规律Figure 2. Relative content of grain boundary in the micro-alloyed steels with different Nb content2.2 CGHAZ微观组织物相及晶粒尺寸统计
图3为经过热循环后不同Nb元素含量微合金钢CGHAZ物相组成及晶粒尺寸数据统计结果. 从图3中可以看出，在添加不同Nb元素含量微合金钢中，CGHAZ组织中铁素体含量变化不明显，但是针状铁素体和贝氏体含量变化较大. 当Nb元素含量为0.005%时，针状铁素体含量为17.3%，随着Nb元素含量的增加，针状铁素体呈现先增加后减小趋势. 当Nb元素含量为0.021%时，针状铁素体含量达到最大值(23.47%). 而贝氏体呈明显增加趋势，当Nb元素含量为0.005%时，贝氏体含量比较少(0.14%)，随着Nb元素含量由0.021%增加到0.036%，贝氏体含量显著增加，由3.67%增加到8.75%. 此外从图3中还可以看出，晶粒发生一定程度的细化，随着Nb元素含量的增加平均晶粒尺寸从9.4 μm减小到5.3 μm.
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图 3 不同Nb含量微合金钢物相组成及晶粒尺寸Figure 3. Average grain size and microconstituents content of CGHAZ with different Nb content2.3 CGHAZ冲击韧性测试结果
图4为不同Nb含量的微合金钢经过相同的大线能量焊接热循环后，在试验温度为−40 ℃的条件下的冲击吸收能量. 从图4中可以看出，元素Nb含量较低或较高时，焊接CGHAZ冲击韧性均较低，较低元素Nb含量(0.005%Nb)比较高(0.036%Nb)的冲击韧性略高；当元素Nb含量适中时(0.021%Nb)，焊接CGHAZ冲击吸收能量最大(248 J).
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图 4 不同Nb元素含量的微合金钢焊接CGHAZ冲击韧性Figure 4. Impact toughness of micro-alloyed steel with different Nb content2.4 晶粒尺寸、相组成和冲击韧性之间的关系
在微合金钢中添加Nb元素，由于Nb在Fe中的固溶度低，多余的Nb元素可以与钢中的钛、碳和氮元素形成(Ti, Nb)CN化合物，提高钢的强度并能有效细化晶粒. 其机制为元素Nb在钢中主要以固溶态和析出态两种形式存在，固溶态的Nb产生拖拽作用能够阻碍奥氏体与铁素体界面的迁移，抑制铁素体形核和长大，析出的(Ti, Nb)CN化合物钉扎晶界能够有效细化奥氏体晶粒.
在微合金钢中，Nb元素含量过低，(Ti, Nb)CN化合物的析出量少，只是固溶态的Nb对一定量的奥氏体晶粒的长大产生抑制作用，呈现出大角度晶界和小角度晶界的晶粒比例相当，部分晶粒得到细化，晶粒尺度较大而且表现出不均匀特征. 虽然奥氏体相变中出现了贝氏体，但是贝氏体的数量较少，对CGHAZ冲击韧性的影响也较小，不均匀的粗晶组织是影响焊接CGHAZ冲击韧性下降的主要因素.
在微合金钢中，Nb元素含量过高，作为第二相粒子的(Ti, Nb)CN化合物析出量多，弥散分布，对奥氏体晶粒粗化产生强烈的抑制作用，表现出大角度晶界的晶粒数量有所增加，呈现出均匀细小的晶粒分布特点. 但是析出的(Ti, Nb)CN化合物数量偏大，抑制针状铁素体形成，促进珠光体形成，诱发更多的贝氏体形成，造成CGHAZ冲击韧性下降. 因此，过多贝氏体的形成是影响焊接CGHAZ冲击韧性下降的主要因素.
综上所述，在微合金钢中Nb元素的含量对于焊接CGHAZ的冲击韧性有着至关重要的作用. Nb元素的含量控制在合适范围内(~ 0.02%)，大角度晶界的晶粒占比大，晶粒得到一定程度的细化，有充足的针状铁素体形成，少量的贝氏体形成，才可以有效地提高焊接CGHAZ的冲击韧性.
3. 结论
(1) Nb元素含量为0.005%微合金钢经焊接热循环后，焊接CGHAZ组织主要为铁素体和针状铁素体以及珠光体，随着Nb元素含量的增加到0.021%时，组织中出现了少量的贝氏体，当Nb含量继续增加至0.036%时，其组织主要为铁素体、珠光体和贝氏体.
(2) 微合金钢中的(Ti, Nb)CN第二相粒子对焊接CGHAZ晶粒尺寸影响较大. 随着Nb元素含量增加，(Ti, Nb)CN第二相粒子的数量增加，焊接CGHAZ晶粒得到细化，平均晶粒尺寸由9.4 μm减小到5.3 μm.
(3) 微合金钢中贝氏体的形成对焊接CGHAZ冲击韧性的下降起主导作用，元素Nb的含量控制在合适范围内(~ 0.02%)，才可以保证良好的焊接CGHAZ的冲击韧性.
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图 1 不同Nb元素含量CGHAZ的EBSD晶粒图及晶界分布图
Figure 1. EBSD grain image and grain boundary of CGHAZ with Nb content. (a) grain image of CGHAZ with 0.005% content; (b) grain boundary of CGHAZ with 0.005% content; (c) grain image of CGHAZ with 0.021% content; (d) grain boundary of CGHAZ with 0.021% content; (e) grain image of CGHAZ with 0.036% content; (f) grain boundary of CGHAZ with 0.036% content
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图 2 不同Nb含量CGHAZ的晶界分布规律
Figure 2. Relative content of grain boundary in the micro-alloyed steels with different Nb content
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图 3 不同Nb含量微合金钢物相组成及晶粒尺寸
Figure 3. Average grain size and microconstituents content of CGHAZ with different Nb content
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图 4 不同Nb元素含量的微合金钢焊接CGHAZ冲击韧性
Figure 4. Impact toughness of micro-alloyed steel with different Nb content
表 1 微合金钢的化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical composition of the micro-alloyed steels
试样 C Si Mn Nb V Ti Fe A 0.088 0.23 1.52 0.005 0.005 0 0.014 余量 B 0.079 0.20 1.45 0.021 0.005 0 0.014 余量 C 0.093 0.23 1.53 0.036 0.005 0 0.014 余量 
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[1] 李静, 王华, 曲圣昱, 等. 焊接热循环参数对大线能量焊接用钢EH40热影响区组织和性能的影响[J]. 北京科技大学学报, 2012, 34(7): 788 − 792. Li Jing, Wang Hua, Qu Shengyu, et al. Effect of welding thermal cycle parameters on the microstructure and properties in the heat affected zone of steel EH40 for high heat input welding[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2012, 34(7): 788 − 792.
[2] Bonnevie E, Ferriere G, Ikhlef A, et al. Morphological aspects of martensite-austenite constituents in intercritical and coarse grain heat affected zones of structural steels[J]. Materials Science and Engineering A, 2004, 385(1−2): 352 − 358.
[3] 佟倩, 崔京玉, 柳洋波, 等. Nb含量对20CrMnTiH钢奥氏体晶粒长大行为的影响[J]. 金属热处理, 2014, 39(7): 9 − 42. Tong Qian, Cui Jingyu, Liu Yangbo, et al. Effect of Nb content on growth law of austenite grain in 20CrMnTiH steel[J]. Heat Treatment of Metals, 2014, 39(7): 9 − 42.
[4] 卢峰. V-N-Ti、Nb-V-Ti钢焊接粗晶区组织演变及对韧性的影响[D]. 安徽: 安徽工业大学, 2016. Lu Feng. Study on the microstructure evolution and toughness propertyof coarse grained heat affected zone in the V-N-Ti and Nb-V-Ti[D]. An Hui: Anhui University of Technology steels, 2016.
[5] 付魁军, 赵靖玮, 高铭泽, 等. TiNbV微合金钢焊接接头HAZ晶粒长大及相变原位观察[J]. 焊接学报, 2020, 41(3): 17 − 22. Fu Kuijun , Zhao Jingwei ,Gao Mingze, et al. Grain growth and phase transformation in the welded joint HAZ of TiNbV microalloyed steel[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2020, 41(3): 17 − 22.
[6] Zhang D, Terasaki H, Komizo Y I. In situ observation of the formation of intragranular acicular ferrite at non-metallic inclusions in C-Mn steel[J]. Acta Materialia, 2010, 58(4): 1369 − 1378.
[7] Zhang L, Thomas, Kannengiesser. Austenite grain growth and microstructure control in simulated heat affected zones of microalloyed HSLA steel[J]. Materials Science & Engineering A, 2014, 613: 326 − 335.
[8] Hu J, Du L X, Wang J J. Effect of V on intragranular ferrite nucleation of high Ti bearing steel[J]. Scripta Materialia, 2013, 68(12): 953 − 956.
[9] Li Y, Crowther D N, Green M J W, et al. The effect of vanadium and niobium on the properties and microstructure of the intercritically reheated coarse grained heat affected zone in low carbon microalloyed steels[J]. Transactions of the Iron & Steel Institute of Japan, 2001, 41(1): 46 − 55.
[10] 吴斯, 李秀程, 张娟, 等. Nb对中碳钢相变和组织化的影响[J]. 金属学报, 2014, 50(4): 16 − 24. Wu Si, Li Xiucheng, Zhang Juan, et al. Effect of Nb on transformation and microstructure refinement in medium carbon steel[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2014, 50(4): 16 − 24.
[11] Chen X W, Liao B, Qiao G Y, et al. Effect of Nb on mechanical properties of HAZ for high-Nb X80 pipeline steels[J]. Journal of Iron & Steel Research International, 2013, 20(12): 53 − 60.
[12] 尹桂全, 高甲生, 洪永昌, 等. 微量Nb对微Ti钢焊接HAZ奥氏体晶粒长大的影响[J]. 焊接学报, 1998, 19(1): 13 − 18. Yin Guiquan, Gao Jiasheng, Hong Yongchang, et al. Effect of Nb addition on austenite grain growth in HAZ of minor Ti bearing steels[J]. Transactions of the China Welding Institution, 1998, 19(1): 13 − 18.
[13] 尹桂全, 高甲生, 洪永昌, 等. 低碳Ti-Nb系列钢焊后显微组织和性能[J]. 焊接学报, 2001, 22(2): 71 − 74. doi: 10.3321/j.issn:0253-360X.2001.02.018 Yin Guiquan, Gao Jiasheng, Hong Yongcang, et al. The microstructure and toughness of HAZ in low carbon Ti-Nb seriessteels after welding[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2001, 22(2): 71 − 74. doi: 10.3321/j.issn:0253-360X.2001.02.018
[14] 于庆波, 张仲波, 李子林, 等. Nb对低碳钢奥氏体晶粒大的影响[J]. 钢铁, 2006, 41(12): 70 − 74. doi: 10.3321/j.issn:0449-749X.2006.12.018 Yu Qingbo, Zhang Zhongbo, Li Zilin, et al. Effect of Nb on austenite grain growth of low carbon steel[J]. Iron and Steel, 2006, 41(12): 70 − 74. doi: 10.3321/j.issn:0449-749X.2006.12.018
[15] 张英乔, 张汉谦, 赵四新, 等. 铌对高强结构钢大热输入接热影响区组织和性能的影响[J]. 焊接学报, 2008, 29(9): 96 − 100. doi: 10.3321/j.issn:0253-360X.2008.09.025 Zhang Yingqiao, Zhang Hanqian, Zhao Sixin, et al. Effects of Nb on microstructure and toughness of high-strength structural steels heat affected zone at high heat input[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2008, 29(9): 96 − 100. doi: 10.3321/j.issn:0253-360X.2008.09.025
[16] 张英乔, 薛飞飞, 丁玲芳, 等. 610 MPa级高强钢大热输入焊接热影响区的组织与性能[J]. 材料热处理学报, 2015, 36(10): 72 − 76. Zhang Yingqiao, Xue Feifei, Ding Lingfang, et al. Microstructure and properties of heat affected zone at high heat input for 610 MPa class high strength steel[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2015, 36(10): 72 − 76.
[17] Wang, G R, North, T H, Leewis K G. Microalloying additions and HAZ fracture toughness in HSLA steels[J]. Welding Journal, 1990, 69(1): 14 − 22.
[18] Moon, J, Kim, S, Jeong, H, et al. Influence of Nb addition on the particle coarsening and microstructure evolution in a Ti-containing steel weld HAZ[J]. Materials Science and Engineering A, 2007, 454: 648 − 653.
[19] DeArdo A J, Gray J M, Meyer L. Fundamental metallurgy of niobium in steel[M]. San Francisco, CA: TMS-AIME, 2001.
[20] 缪成亮, 刘振伟, 郭晖, 等. Nb含量和热输入量对X80管线钢焊接粗晶区的影响[J]. 材料热处理学报, 2012, 33: 99 − 105. Miao Chengliang, Liu Zhenwei, Guo Hui, et al. Effect of Nb content and heat input on coarse-grained welding heat affected zone of X80 pipeline steels[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2012, 33: 99 − 105.
[21] 付魁军, 高铭泽, 冷雪松, 等. TiNb钢焊接热影响区微观组织与冲击性能演变规律[J]. 焊接学报, 2019, 40(5): 42 − 47. doi: 10.12073/j.hjxb.2019400125 Fu Kuijun, Gao Mingze, Leng Xuesong, et al. Evolution of microstructure and impact property in welding HAZ of TiNb steel[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2019, 40(5): 42 − 47. doi: 10.12073/j.hjxb.2019400125
[22] Zhou P S, Wang B, Wang L, et al. Effect of welding heat input on grain boundary evolution and toughness properties in CGHAZ of X90 pipeline steel[J]. Materials Science & Engineering A, 2018, 722: 112 − 121.
[23] Wang C, Wang M, Shi J, et al. Effect of microstructural refinement on the toughness of low carbon martensitic steel[J]. Scripta Materialia, 2008, 58: 492 − 495.
-
期刊类型引用(5)
1. 林轩艺，王红鸿，鄢文泽. 焊接热循环下Nb原子非平衡晶界偏聚行为的动力学建模. 武汉科技大学学报. 2025(01): 14-24 . 
百度学术
2. 何江里，王秋鸣，王厚昕，周海，王青峰. 新型低锰微铌钢与普通Q355钢焊接性能比较. 焊接. 2023(01): 29-36 . 百度学术
3. 林轩艺，王红鸿，鄢文泽. Nb含量对低合金高强钢微观组织和力学性能的影响. 武汉科技大学学报. 2023(03): 175-179 . 百度学术
4. 鄢文泽，闫文青，林轩艺，王红鸿. 铌微合金化对低合金高强钢模拟焊接热影响区粒状贝氏体相变及SH-CCT曲线的影响. 金属热处理. 2023(09): 150-156 . 百度学术
5. 何小东，高雄雄，David Han，池强，霍春勇，José B.Bacalhau. 高铌X80管道不同强度匹配环焊接头性能及应变演化. 焊接学报. 2022(02): 34-39+115 . 本站查看
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